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JP6433740B2 - Gold nanoparticle-containing carbon thin film electrode for electrochemical measurement and arsenic ion electrochemical detection method using the electrode - Google Patents

Gold nanoparticle-containing carbon thin film electrode for electrochemical measurement and arsenic ion electrochemical detection method using the electrode Download PDF

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JP6433740B2 JP2014195454A JP2014195454A JP6433740B2 JP 6433740 B2 JP6433740 B2 JP 6433740B2 JP 2014195454 A JP2014195454 A JP 2014195454A JP 2014195454 A JP2014195454 A JP 2014195454A JP 6433740 B2 JP6433740 B2 JP 6433740B2
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Description

本発明は金ナノ粒子含有カーボン薄膜電極及びその電極を用いたヒ素イオンの電気化学検出法、詳しくは水質、土壌などの環境、作業環境、食品・地質・生体被毒などのモニタリング分析、調査に用いるために好適な電気化学分析用あるいは電気化学センサー用のカーボン薄膜電極及びそれを用いたヒ素イオンの電気化学検出法に関するものである。   The present invention is a gold nanoparticle-containing carbon thin film electrode and an arsenic ion electrochemical detection method using the electrode, and more specifically, water quality, soil environment, work environment, food / geological / biological poisoning, etc. The present invention relates to a carbon thin film electrode suitable for use in electrochemical analysis or an electrochemical sensor and an electrochemical detection method for arsenic ions using the same.

ヒ素(As)は食物や飲料水などからの経口摂取で人体に取り込まれやすい元素であり、微量であっても人体に蓄積されることによってヒ素中毒症を引き起こし、最悪の場合、死に至る極めて危険な元素である。
ヒ素(金属ヒ素及びヒ素化合物)の環境中への排出源として、自然発生源と人為発生源があり、自然発生源としては、土壌粒子の巻き上げ、火山活動、海水中や植物の発育中に自然に発生し、大気への排出などがある。またヒ素は、ガリウム、インジウム、アルミニウムと結合すると、他の金属では実現できない高性能の半導体に変わる為、発光ダイオード、半導体レーザーや光通信材料として工業的に利用されている。そのため、ヒ素は毒性を有するが産業界に不可欠な元素であり、このような産業廃棄物からの大気及び水域へ排出が考えられる。そしてヒ素化合物が地下水などに溶け出し、飲料水として人体に取り込まれると、上述のヒ素中毒を起こす恐れがある。
Arsenic (As) is an element that is easily taken into the human body by ingestion from food and drinking water, etc. Even if it is a trace amount, it accumulates in the human body, causing arsenic poisoning, and in the worst case, extremely dangerous leading to death Element.
The sources of arsenic (metal arsenic and arsenic compounds) into the environment are naturally occurring sources and anthropogenic sources. Natural sources can be natural during rolling of soil particles, volcanic activity, seawater and plant development. It occurs in the atmosphere and is released into the atmosphere. Arsenic, when combined with gallium, indium, and aluminum, turns into a high-performance semiconductor that cannot be realized with other metals, and is therefore used industrially as a light-emitting diode, semiconductor laser, or optical communication material. Therefore, arsenic is toxic but is an indispensable element for industry, and it can be considered that such industrial waste is discharged into the atmosphere and water. When the arsenic compound is dissolved in ground water and taken into the human body as drinking water, the above-described arsenic poisoning may occur.

水質汚濁防止法におけるヒ素の排出基準は100ppb以下に規制されWHO、EPA、環境省による飲料水中のヒ素の基準は10ppb以下に規制されている。従って工場排水や飲料水のヒ素及びヒ素化合物を簡便かつ高感度に検出することが求められている。
EPAが公定法として定めている方法には、inductively coupled plasma-mass spectrometry (ICP-MS) (Method 200.8)、inductively coupled plasma-atomic emission spectrometry (ICP-AES) (Method 200.7), graphite furnace atomic adsorption spectrometry (Method 200.9)などがあり、それぞれの検出下限は1.4, 8, 0.5ppb(非特許文献1)と非常に高感度な測定法である。一方で装置が高価で、前処理時間が長い為、簡単で高感度に測定を行う観点で課題が残る。
EPAはヒ素分析において、電気化学的手法であるアノーディックストリッピングボルタンメトリー(ASV)法も推奨している(Method 7063)(非特許文献2)。ASV法は金属イオンを電極上に一度還元堆積させ、堆積した金属を酸化させる際に得られる酸化電流値を検出する分析法であり、非常に高感度な分析手法でありながら、安価で測定装置の小型化が可能であり、オンサイト分析に適した分析法である。
The standard for arsenic emission in the Water Pollution Control Act is regulated to 100 ppb or less, and the standard for arsenic in drinking water by WHO, EPA, and the Ministry of the Environment is regulated to 10 ppb or less. Therefore, it is required to detect arsenic and arsenic compounds of factory wastewater and drinking water simply and with high sensitivity.
EPA's official methods include inductively coupled plasma-mass spectrometry (ICP-MS) (Method 200.8), inductively coupled plasma-atomic emission spectrometry (ICP-AES) (Method 200.7), graphite furnace atomic adsorption spectrometry (Method 200.9) and the like, and each detection lower limit is 1.4, 8, 0.5 ppb (Non-patent Document 1), which is a very sensitive measurement method. On the other hand, since the apparatus is expensive and the pretreatment time is long, problems remain in terms of simple and highly sensitive measurement.
EPA also recommends the anodic stripping voltammetry (ASV) method, which is an electrochemical method, for arsenic analysis (Method 7063) (Non-patent Document 2). The ASV method is an analytical method that detects the oxidation current value obtained by reducing and depositing metal ions once on the electrode and oxidizing the deposited metal. This is an analysis method suitable for on-site analysis.

ASV法を用いたヒ素計測に用いる作用電極としては、古くから水銀、白金、金(Au)、などが報告されており、それらの性能は使用する電極材料の影響を大きく受けることが知られている。これら貴金属電極材料の中でもAu電極は、水銀の様な毒性もなく、還元反応時においてヒ素と金属間結合をつくり、このAu-Asの金属間化合物はASV測定における酸化反応で容易に検出できることが報告されている(非特許文献3、特許文献1)。さらには、カーボン電極上にAu(非特許文献4)やAuナノ粒子(非特許文献5)を分散させAu単体電極よりもヒ素の検出下限を向上できることが報告されてきた。しかしながら、グラファイト電極やGC電極のようなsp2カーボン結合が豊富なカーボンにAuをコートした電極を用いたAs分析は、安定なシグナルを得ることが難しく、精度と安定性が低い点が課題であることが報告されている(非特許文献4)。 As working electrodes used for arsenic measurement using the ASV method, mercury, platinum, gold (Au), etc. have been reported for a long time, and their performance is known to be greatly influenced by the electrode materials used. Yes. Among these noble metal electrode materials, the Au electrode has no toxicity like mercury and forms an intermetallic bond between arsenic during the reduction reaction, and this intermetallic compound of Au-As can be easily detected by the oxidation reaction in the ASV measurement. It has been reported (Non-patent document 3, Patent document 1). Furthermore, it has been reported that Au (Non-Patent Document 4) or Au nanoparticles (Non-Patent Document 5) can be dispersed on a carbon electrode to improve the lower limit of detection of arsenic than an Au single electrode. However, As analysis using electrodes coated with Au on carbon rich in sp 2 carbon bonds, such as graphite electrodes and GC electrodes, it is difficult to obtain a stable signal, and the accuracy and stability are low. It has been reported (Non-Patent Document 4).

また、ボロンドープダイヤモンド(BDD)電極に金を修飾した電極によるヒ素計測の検討が行われてきた(特許文献2、非特許文献6)。BDD電極は上述のカーボン電極とは対照的に、カーボン中の結合がsp3結合成分で構成されているために、一般的に使われているカーボン電極よりも安定かつ低いバックグラウンド電流が実現できるなどの利点を有している。しかしながら、BDDは安定な電極であるが、Auの電着効率が悪く、Auを電着させたBDD電極のAs検出下限が2.85ppbであった(非特許文献6)。電着効率を上げる為に、AuとAsを同時に電着させる事で、Asを安定かつ高感度に測定できる事も報告されていている(非特許文献7、特許文献3)。しかしながら、上述の金電着したカーボン電極は、電極を電着させる工程が要求される課題点が残る。さらには、Au電着したBDD電極を繰り返し使用すると表面に付着した金が溶出することがあり、このため更に感度が低下し、再現性が得られにくいという問題も有する(特許文献2)。 Further, arsenic measurement using an electrode in which a boron-doped diamond (BDD) electrode is modified with gold has been studied (Patent Document 2, Non-Patent Document 6). In contrast to the carbon electrode described above, the BDD electrode is composed of sp 3 bonding components in the carbon, so a stable and lower background current can be realized than the commonly used carbon electrode. It has the advantages such as. However, although BDD is a stable electrode, the electrodeposition efficiency of Au is poor, and the lower limit of As detection for the BDD electrode electrodeposited with Au was 2.85 ppb (Non-patent Document 6). It has also been reported that by simultaneously depositing Au and As in order to increase the electrodeposition efficiency, As can be measured stably and with high sensitivity (Non-patent Document 7 and Patent Document 3). However, the above-mentioned gold electrodeposited carbon electrode still has a problem that requires a step of electrodepositing the electrode. Furthermore, when the BDD electrode electrodeposited with Au is used repeatedly, gold adhering to the surface may be eluted, which further causes a problem that sensitivity is further lowered and reproducibility is difficult to obtain (Patent Document 2).

特開2007−304081号公報JP 2007-304081 A 特開2008−216061号公報JP 2008-216061 A 特開2010−271236号公報JP 2010-271236 A 特開2006−90875号公報JP 2006-90875 A 特開2003−121407号公報JP 2003-121407 A

EPA Report, EPA-815-R-00-010, December (1999)EPA Report, EPA-815-R-00-010, December (1999) Pyle et al, US EPA (1996)Pyle et al, US EPA (1996) Prakash et al., Electroanalysis 15, 1410 (2003)Prakash et al., Electroanalysis 15, 1410 (2003) Viltchinskaia et al., Electroanalysis 9, 633 (1997)Viltchinskaia et al., Electroanalysis 9, 633 (1997) Dai et al., Anal. Chem. 76, 5924 (2004)Dai et al., Anal. Chem. 76, 5924 (2004) Simm et al., Analyst 130, 1303 (2005)Simm et al., Analyst 130, 1303 (2005) McGaw et al.,Anal. Chim. Acta 575, 180 (2006)McGaw et al., Anal. Chim. Acta 575, 180 (2006)

上記のような背景から、本発明は、電極として十分な導電性を有し、なおかつヒ素に対して優れた電極触媒活性を有する金ナノ粒子含有カーボン薄膜電極、及び、その簡便な製造方法を提供することを課題とするものである。   From the background as described above, the present invention provides a gold nanoparticle-containing carbon thin film electrode having sufficient conductivity as an electrode and having an excellent electrocatalytic activity for arsenic, and a simple production method thereof. It is an object to do.

本発明者らは、新しい導電性カーボン電極の発明(特許文献4)ならびに金属ナノ粒子含有カーボン電極の発明(特許文献5)をしている。これまでのスパッタ法による金属ナノ粒子含有カーボン電極の製造方法においては、カーボンターゲット上に一緒にメタルターゲットを配置し、当該カーボンターゲットに電圧を加えることにより基板上にカーボンと金属とをスパッタしていた(図1b参照)。しかしながら、カーボンターゲット中にメタルターゲットが配置されたものを使用する従来のスパッタ法では、ターゲット中の炭素成分と金属成分に対して同じ電圧が付加されるため、スパッタ速度の速い金属が炭素に先行してスパッタされてしまい、成膜された薄膜中の金属ナノ粒子の含有量を精密に制御することが困難である課題を有していた。特に、電極中の金属粒子の含有量を多くしようとした場合には、カーボンターゲット上に一緒に配置されるメタルターゲットの表面積を大きくする必要があるが、メタルターゲットの表面積比が大きいカーボンターゲットの使用は、その表面積比に応じた金属成分を電極中に含有させることが可能となる一方で、電極中の金属ナノ粒子としての導入が不均一に分布してしまい、実用に耐える電極を製造することができなかった。   The inventors have invented a new conductive carbon electrode (Patent Document 4) and a metal nanoparticle-containing carbon electrode (Patent Document 5). In the conventional method for producing metal nanoparticle-containing carbon electrodes by sputtering, carbon and metal are sputtered on a substrate by placing a metal target together on the carbon target and applying a voltage to the carbon target. (See FIG. 1b). However, in the conventional sputtering method using a metal target arranged in a carbon target, the same voltage is applied to the carbon component and the metal component in the target, so that a metal having a high sputtering speed precedes the carbon. Thus, there is a problem that it is difficult to precisely control the content of metal nanoparticles in the formed thin film. In particular, when trying to increase the content of metal particles in the electrode, it is necessary to increase the surface area of the metal target disposed together on the carbon target. The use makes it possible to contain a metal component corresponding to the surface area ratio in the electrode, while the introduction as metal nanoparticles in the electrode is unevenly distributed, and an electrode that can withstand practical use is manufactured. I couldn't.

本発明者らは、このような課題も踏まえて鋭意研究したところ、アンバランスドマグネトロン(UBM)スパッタに代表されるスパッタ法によってカーボン薄膜電極の作製を行う際に、カーボンターゲットと金(Au)ターゲットとのターゲットパワーを独立して制御可能な状態で同時にスパッタすると、金ナノ粒子がsp2結合とsp3結合が混在する微結晶ドメインを持つカーボン薄膜電極内に均一に分散したカーボン薄膜電極を得られることを見出した。また、得られた金ナノ粒子含有カーボン薄膜電極は、ヒ素の電気化学検出に対して良好な電極触媒活性を有しており、また、測定安定性と保存安定性が大きく向上することを見出し、本発明を完成したものである。 The inventors of the present invention have intensively studied in view of such problems, and when producing a carbon thin film electrode by a sputtering method represented by unbalanced magnetron (UBM) sputtering, a carbon target and gold (Au). When the target power with the target is sputtered simultaneously in a controllable state, a carbon thin film electrode in which gold nanoparticles are uniformly dispersed in a carbon thin film electrode having a microcrystalline domain in which sp 2 bonds and sp 3 bonds are mixed is formed. It was found that it can be obtained. Further, the obtained gold nanoparticle-containing carbon thin film electrode has good electrocatalytic activity for electrochemical detection of arsenic, and has found that measurement stability and storage stability are greatly improved. The present invention has been completed.

すなわち、本発明は、
測定対象溶液中でヒ素イオンを還元堆積および酸化溶出に基づく電極反応により検出するための電気化学測定用カーボン薄膜電極であって、
前記電気化学測定用カーボン薄膜電極は、炭素間の結合様式についてsp2結合とsp3結合とが混在する微結晶ドメインより構成されており、これによりグラファイトカーボンおよびグラッシーカーボン電極よりも広い範囲の電位窓を有し、かつ、金ナノ粒子を均一に含有することを特徴とする電気化学測定用カーボン薄膜電極に関する。
That is, the present invention
A carbon thin film electrode for electrochemical measurement for detecting arsenic ions in a solution to be measured by electrode reaction based on reduction deposition and oxidation elution,
The carbon thin film electrode for electrochemical measurement is composed of a microcrystalline domain in which sp 2 bonds and sp 3 bonds are mixed with respect to the bonding mode between carbons, and thereby has a wider range of potential than graphite carbon and glassy carbon electrodes. The present invention relates to a carbon thin film electrode for electrochemical measurement characterized by having a window and containing gold nanoparticles uniformly.

ここで、本発明の電気化学測定用カーボン薄膜電極の一実施の形態においては、前記金ナノ粒子の含有量が10〜22at%であることを特徴とする。
また、本発明の電気化学測定用カーボン薄膜電極の一実施の形態においては、前記カーボン薄膜電極は、スパッタ法において、カーボンターゲットおよび金ターゲットのスパッタパワーを独立して制御することにより基板上に成膜されたカーボン薄膜からなることを特徴とする。
また、本発明の電気化学測定用カーボン薄膜電極の一実施の形態においては、前記カーボン薄膜電極を構成する炭素間のsp2結合している原子数とsp3結合している原子数との和に対するsp3結合している原子数の原子比が0.1〜0.4の範囲にあることを特徴とする。
また、本発明の電気化学測定用カーボン薄膜電極の一実施の形態においては、前記金ナノ粒子の粒径が、7nm以下であることを特徴とする。
なお、本発明の電気化学測定用カーボン薄膜電極において、上記に記載する各特徴を二つ以上組み合わせて有するものも、本発明の電気化学測定用カーボン薄膜電極の一実施の形態として含まれる。
Here, in one embodiment of the carbon thin film electrode for electrochemical measurement of the present invention, the content of the gold nanoparticles is 10 to 22 at%.
In one embodiment of the carbon thin film electrode for electrochemical measurement of the present invention, the carbon thin film electrode is formed on the substrate by independently controlling the sputtering power of the carbon target and the gold target in the sputtering method. It is characterized by comprising a carbon thin film formed.
Further, in one embodiment of the carbon thin film electrode for electrochemical measurements of the present invention, the sum of the number of sp 2 bonded atoms and the number of sp 3 bonded atoms between carbons constituting the carbon thin film electrode. The atomic ratio of the number of sp 3 bonded atoms to is in the range of 0.1 to 0.4.
In one embodiment of the carbon thin film electrode for electrochemical measurements of the present invention, the gold nanoparticles have a particle size of 7 nm or less.
In addition, the carbon thin film electrode for electrochemical measurement of the present invention includes a combination of two or more of the features described above as an embodiment of the carbon thin film electrode for electrochemical measurement of the present invention.

また、本発明の別の態様によれば、本発明は、
測定対象溶液中のヒ素イオンの濃度を、対電極と前記電気化学測定用カーボン薄膜電極からなる作用電極とを用い、還元堆積および酸化溶出に基づく反応により検出する電気化学的測定方法であって、
前記カーボン薄膜電極からなる作用電極の電位を負電位方向に変動させて、前記カーボン薄膜電極からなる作用電極表面にヒ素を還元堆積させる還元堆積工程と
前記カーボン薄膜電極からなる作用電極の電位を正電位方向に掃引して、前記カーボン薄膜電極表面に電着したヒ素を前記測定対象溶液中に溶出させる酸化溶出工程と
を備えることを特徴とするヒ素イオンの電気化学的測定方法に関する。
According to another aspect of the present invention, the present invention provides:
An electrochemical measurement method for detecting a concentration of arsenic ions in a measurement target solution by a reaction based on reduction deposition and oxidation elution using a counter electrode and a working electrode composed of the carbon thin film electrode for electrochemical measurement,
A reduction deposition step of reducing and depositing arsenic on the surface of the working electrode made of the carbon thin film electrode by changing the potential of the working electrode made of the carbon thin film electrode in a negative potential direction, and a positive potential of the working electrode made of the carbon thin film electrode The present invention relates to an electrochemical measurement method for arsenic ions, comprising an oxidation elution step of eluting arsenic electrodeposited on the surface of the carbon thin film electrode into the measurement target solution by sweeping in a potential direction.

また、本発明の別の態様によれば、
測定対象溶液中のヒ素イオンの濃度を電気化学的に測定するための装置であって、
対電極、及び、前記電気化学測定用カーボン薄膜電極からなる作用電極を内蔵するセルと、
前記カーボン薄膜電極からなる作用電極の電位を負電位方向に変動させて、前記カーボン薄膜電極からなる作用電極の表面にヒ素を還元堆積させる電位を供給し、次いで、前記カーボン薄膜電極からなる作用電極の電位を正電位方向に変動させて、前記カーボン薄膜電極からなる作用電極に堆積したヒ素を前記測定対象溶液中に溶出させる電位を供給する電位変動手段と、
前記カーボン薄膜電極からなる作用電極の電位の変動に伴う電流変化を検出する検出手段と
を備えていることを特徴とするヒ素イオンの濃度を測定するための電気化学的測定装置に関する。
According to another aspect of the present invention,
An apparatus for electrochemically measuring the concentration of arsenic ions in a solution to be measured,
A cell containing a counter electrode and a working electrode composed of the carbon thin film electrode for electrochemical measurement;
A potential for reducing and depositing arsenic on the surface of the working electrode made of the carbon thin film electrode is supplied by changing a potential of the working electrode made of the carbon thin film electrode in a negative potential direction, and then the working electrode made of the carbon thin film electrode And a potential changing means for supplying a potential for eluting arsenic deposited on the working electrode made of the carbon thin film electrode into the measurement object solution;
The present invention relates to an electrochemical measurement apparatus for measuring the concentration of arsenic ions, comprising a detection means for detecting a current change accompanying a change in potential of a working electrode made of the carbon thin film electrode.

また、本発明の別の態様によれば、
測定対象溶液中でヒ素イオンを電気化学測定法により検出するための金ナノ粒子含有カーボン薄膜電極の製造方法であって、
前記方法は、スパッタ法により基板上に金ナノ粒子含有カーボン薄膜電極を成膜させる工程において、カーボンターゲットと金ターゲットとのターゲットパワーを独立して制御しながら成膜する工程を含み、
これにより前記金ナノ粒子含有カーボン薄膜電極における金ナノ粒子の含有量を制御することを特徴とする、製造方法に関する。
According to another aspect of the present invention,
A method for producing a gold thin film-containing carbon thin film electrode for detecting arsenic ions in a solution to be measured by an electrochemical measurement method,
The method includes forming a gold nanoparticle-containing carbon thin film electrode on a substrate by sputtering, and forming a film while independently controlling the target power of the carbon target and the gold target.
Thus, the present invention relates to a production method characterized in that the gold nanoparticle content in the gold nanoparticle-containing carbon thin film electrode is controlled.

本発明によれば、金の電着の工程を経ることなく、ヒ素の電気化学測定に優位な金ナノ粒子を含有するカーボン薄膜電極を容易に作製できる。金ナノ粒子含有カーボン薄膜電極は、金成分とカーボン成分とを独自に制御して成膜されるため、金ナノ粒子の含有量を再現性良く制御できる。これにより、当該カーボン薄膜電極内に含有される金成分は、当該電極内に金ナノ粒子の形態で均一に分布させることができる。そして、得られた金ナノ粒子含有カーボン薄膜電極は、電極触媒活性部分である金ナノ粒子の少なくともその一部が電極の表面に露出した形で埋め込まれた構造となっているため、繰り返しの測定や長期保存時に対する金ナノ粒子の溶出ならびに脱落の可能性もほとんどない。そのため、従来の金電着カーボン薄膜電極等に比べ、より高感度かつ安定にヒ素を計測することが可能なカーボン薄膜電極を提供できる。   According to the present invention, a carbon thin film electrode containing gold nanoparticles superior in arsenic electrochemical measurement can be easily produced without going through a gold electrodeposition step. Since the gold nanoparticle-containing carbon thin film electrode is formed by independently controlling the gold component and the carbon component, the content of the gold nanoparticle can be controlled with good reproducibility. Thereby, the gold component contained in the carbon thin film electrode can be uniformly distributed in the form of gold nanoparticles in the electrode. The obtained gold nanoparticle-containing carbon thin film electrode has a structure in which at least a part of the gold nanoparticle, which is an electrocatalytic active portion, is embedded in the form exposed on the surface of the electrode. In addition, there is almost no possibility that gold nanoparticles will be eluted and dropped off during long-term storage. Therefore, it is possible to provide a carbon thin film electrode capable of measuring arsenic with higher sensitivity and stability than conventional gold electrodeposited carbon thin film electrodes and the like.

図1(a)は、本発明の金ナノ粒子含有カーボン薄膜電極を作製可能なスパッタ装置における、基板とカーボンターゲットおよび金属ターゲットとの配置の関係を示す概略図である。図1(b)は、金属ナノ粒子含有カーボン薄膜電極を作製するための従来のスパッタ装置における、基板とカーボンターゲットおよび金属ターゲットとの配置の関係を示す概略図である。FIG. 1 (a) is a schematic view showing the relationship between the arrangement of a substrate, a carbon target, and a metal target in a sputtering apparatus capable of producing a gold nanoparticle-containing carbon thin film electrode of the present invention. FIG.1 (b) is the schematic which shows the relationship of the arrangement | positioning of a board | substrate, a carbon target, and a metal target in the conventional sputtering device for producing the metal nanoparticle containing carbon thin film electrode. 図2は、下記実施例2において作製した金ナノ粒子含有カーボン薄膜電極を、透過電子顕微鏡を用いて観察した際の画像を示す。FIG. 2 shows an image when the gold nanoparticle-containing carbon thin film electrode produced in Example 2 below was observed using a transmission electron microscope. 図3(a)は、下記実施例3において、金ナノ粒子含有カーボン薄膜電極を作用電極として用いて、様々な濃度の3価ヒ素イオンを測定した際のスクウェアウェイブボルタモグラムを示す。また、図3(b)は、図3(a)のボルタモグラムから得られたピーク電流密度と3価ヒ素イオン濃度との関係を示す図である。FIG. 3A shows square wave voltammograms when trivalent arsenic ions at various concentrations were measured using a gold nanoparticle-containing carbon thin film electrode as a working electrode in Example 3 below. FIG. 3B is a graph showing the relationship between the peak current density obtained from the voltammogram of FIG. 3A and the trivalent arsenic ion concentration. 下記実施例4において、金ナノ粒子含有カーボン薄膜電極を作用電極として用いて、100ppbの3価ヒ素イオンを測定した際の測定安定性を示すグラフである。図4中、実線は初期測定結果を示し、点線は、初期測定終了後、電極表面を窒素ガスによって乾燥させて、大気中、室温下で24時間放置した電極での測定結果を示す。In the following Example 4, it is a graph which shows the measurement stability at the time of measuring trivalent arsenic ion of 100 ppb, using a gold nanoparticle containing carbon thin film electrode as a working electrode. In FIG. 4, the solid line indicates the initial measurement result, and the dotted line indicates the measurement result with the electrode that was dried for 24 hours in the atmosphere at room temperature after the electrode surface was dried with nitrogen gas. 下記比較例において、金電着グラッシ―カーボン(GC)薄膜を作用電極として用いて、100ppbの3価ヒ素イオンを測定した際の測定安定性を示すグラフである。図5中、実線は初期測定結果を示し、点線は初期測定終了後、電極表面を窒素ガスによって乾燥させて、大気中、室温下で24時間放置した電極での測定結果を示す。In the following comparative example, it is a graph which shows the measurement stability at the time of measuring a trivalent arsenic ion of 100 ppb, using a gold electrodeposition glassy carbon (GC) thin film as a working electrode. In FIG. 5, the solid line shows the initial measurement result, and the dotted line shows the measurement result with the electrode that was dried for 24 hours at room temperature in the atmosphere after the electrode surface was dried with nitrogen gas.

本発明の電気化学測定用の金ナノ粒子含有カーボン薄膜電極は測定対象溶液中でヒ素イオンを還元堆積ならびに酸化溶出に基づく電極反応によって検出するものである。そして、本発明の金ナノ粒子含有カーボン薄膜電極は、sp2結合(グラファイト型構造)とsp3結合(ダイヤモンド型構造)とが混在する炭素間結合を有する微結晶ドメインから構成されていることを特徴とする。すなわち、sp2結合から成る微結晶性のドメイン(グラファイト型構造)を、sp3結合で連結した微結晶性ドメインから構成されている。なお、各微結晶性ドメインのサイズ(長径)は、通常、0.5nm〜100nm程度である。この微結晶ドメインのサイズは、照射イオンの加速電圧を調整することにより制御することが可能である。 The gold nanoparticle-containing carbon thin film electrode for electrochemical measurement according to the present invention detects arsenic ions in a solution to be measured by electrode reaction based on reduction deposition and oxidation elution. The gold nanoparticle-containing carbon thin film electrode of the present invention is composed of microcrystalline domains having carbon-carbon bonds in which sp 2 bonds (graphite structure) and sp 3 bonds (diamond structure) are mixed. Features. That is, the microcrystalline domain (graphite structure) composed of sp 2 bonds is composed of microcrystalline domains connected by sp 3 bonds. The size (major axis) of each microcrystalline domain is usually about 0.5 nm to 100 nm. The size of the microcrystalline domain can be controlled by adjusting the acceleration voltage of irradiated ions.

このような、sp2結合とsp3結合とが混在する微結晶ドメインからなるカーボン薄膜電極は、高い導電性を有し、かつ、電気化学的に非可逆な測定対象物質を電極上反応させた後であっても、電極上に実質的に吸着被膜しないことを特徴とする。この電気化学測定用カーボン薄膜電極では、ダイヤモンド電極の様にsp3結合を多数含む微結晶ドメインを含むことにより、従来のグラッシーカーボン電極やグラファイト電極と比較して、安定で広い電位窓を有することを特徴とする。また、sp2結合を含むことにより、グラファイトに比較すると導電性は低いものの電気化学測定を行うのに十分な導電性を有しており、ダイヤモンド薄膜のようにドーピングを行う必要がない。 Such a carbon thin film electrode composed of a microcrystalline domain in which sp 2 bonds and sp 3 bonds are mixed has high conductivity, and an electrochemically irreversible measurement target substance is reacted on the electrode. It is characterized by substantially not adsorbing film on the electrode even after. This carbon thin film electrode for electrochemical measurements has a stable and wide potential window compared to conventional glassy carbon electrodes and graphite electrodes by including microcrystalline domains containing many sp 3 bonds like diamond electrodes. It is characterized by. In addition, by including sp 2 bonds, the conductivity is lower than that of graphite, but the conductivity is sufficient for electrochemical measurement, and it is not necessary to perform doping as in a diamond thin film.

本発明の金ナノ粒子含有カーボン薄膜電極を構成する微結晶ドメインにおいては、sp3結合している炭素原子数とsp2結合している炭素原子数との和に対する、sp3結合している炭素原子数の原子比(sp3結合の原子数/sp2結合の原子数+sp3結合の原子数)は、上述するsp2結合とsp3結合とが混在することにより得られる特徴を有する範囲において特に限定されないが、0.1〜0.4の範囲内にあることが好ましい。上記の原子比が0.1〜0.4の範囲内にあると、電位窓がグラファイトカーボン電極やグラッシーカーボン電極に比べて大幅に広く、酸化電位の高い測定対象もより明瞭な電流信号として検出できる。この場合、電位窓を、従来のグラファイトカーボン電極やグラッシーカーボン電極に比べて正方向および負方向にそれぞれ約±200mV以上広くすることができる。 In microcrystalline domains that constitute the gold nanoparticle-containing carbon film electrode of the present invention, the carbon to the sum of the number of carbon atom and sp 2 bonded carbon atoms that are sp 3 bonds, and sp 3 bonds The atomic ratio of the number of atoms (sp 3 bond atom number / sp 2 bond atom number + sp 3 bond atom number) is within a range having the characteristics obtained by mixing the above-described sp 2 bond and sp 3 bond. Although not particularly limited, it is preferably in the range of 0.1 to 0.4. When the atomic ratio is in the range of 0.1 to 0.4, the potential window is significantly wider than that of the graphite carbon electrode or the glassy carbon electrode, and a measurement object having a high oxidation potential can be detected as a clearer current signal. In this case, the potential window can be widened by about ± 200 mV or more in the positive direction and the negative direction, respectively, as compared with the conventional graphite carbon electrode or glassy carbon electrode.

なお、炭素間においてsp2結合とsp3結合とに関する上記原子比についての割合は、成膜時に照射される照射イオンの加速電圧を調整することにより適宜制御することが可能である。イオン加速電圧は、基板にRFまたはDCバイアスを印加し、バイアス電圧を調節することにより制御することが可能である。イオン加圧電圧を20Vから150Vまで変化させた場合、150Vにおいてsp3結合の割合が最も高かった。従って、当業者であれば、上記の記載する好ましい原子比となるように、照射イオンの加速電圧を適宜調整することができる。 Note that the ratio of the above-described atomic ratio between sp 2 bonds and sp 3 bonds between carbons can be appropriately controlled by adjusting the acceleration voltage of irradiation ions irradiated during film formation. The ion acceleration voltage can be controlled by applying an RF or DC bias to the substrate and adjusting the bias voltage. When the ion pressurization voltage was changed from 20V to 150V, the ratio of sp 3 bonds was the highest at 150V. Accordingly, those skilled in the art can appropriately adjust the acceleration voltage of the irradiated ions so that the above-described preferable atomic ratio is obtained.

sp2結合とsp3結合とに関する上記原子比は、X線光電子分光分析(XPS)により測定することができる。すなわち、XPSにより結合エネルギー(eV)と強度(CPS)を測定し、結合エネルギー(eV)を横軸に、強度(CPS)を縦軸にプロットする。sp3結合を表す曲線は、285.3eVに、sp2結合を表す曲線は、284.3eVにピークを持つ。これらのピーク高さの比をとることによりsp3結合/sp2結合を算出することができ、これから上記の原子比(sp3結合の原子数/sp2結合の原子数+sp3結合の原子数)を算出することができる。 The above atomic ratio regarding sp 2 bond and sp 3 bond can be measured by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). That is, the binding energy (eV) and strength (CPS) are measured by XPS, and the binding energy (eV) is plotted on the horizontal axis and the strength (CPS) is plotted on the vertical axis. The curve representing the sp 3 bond has a peak at 285.3 eV, and the curve representing the sp 2 bond has a peak at 284.3 eV. By taking the ratio of these peak heights, the sp 3 bond / sp 2 bond can be calculated. From this, the above atomic ratio (number of sp 3 bond / number of sp 2 bond + number of sp 3 bond) ) Can be calculated.

また、本発明の電気化学測定用カーボン薄膜電極は、当該電極中に金ナノ粒子を均一に含有することを特徴とする。なお、従来のスパッタ法による金属ナノ粒子含有カーボン電極の製造方法においては、スパッタ速度の速い金属がカーボンに先行してスパッタされてしまうことにより、電極中の金属ナノ粒子の導入量の制御と分布に偏りが生じる課題を有していた。しかしながら、本発明のカーボン薄膜電極によれば、炭素成分と金成分のスパッタを独立して制御することにより、カーボン薄膜電極中に金成分を所望の濃度でかつナノ粒子の状態で均一に分布させることが可能となった。このように、金ナノ粒子が均一に分布している電極は、安定な埋め込み構造と高い電極活性の実現の点において好ましい。
特に、本発明のカーボン薄膜電極は、高い濃度の金ナノ粒子を含有させた場合においても、電極中に均一に金ナノ粒子が分布した電極を得ることができるという点において、好ましい特徴を有する。
Moreover, the carbon thin film electrode for electrochemical measurements of the present invention is characterized by containing gold nanoparticles uniformly in the electrode. In addition, in the conventional method for producing metal nanoparticle-containing carbon electrodes by sputtering, the metal having a high sputter rate is sputtered prior to the carbon, so that the amount of introduced metal nanoparticles in the electrode is controlled and distributed. Had a problem that caused bias. However, according to the carbon thin film electrode of the present invention, by independently controlling the sputtering of the carbon component and the gold component, the gold component is uniformly distributed in the carbon thin film electrode at a desired concentration and in the form of nanoparticles. It became possible. Thus, an electrode in which gold nanoparticles are uniformly distributed is preferable in terms of realizing a stable embedded structure and high electrode activity.
In particular, the carbon thin film electrode of the present invention has a preferable feature in that an electrode in which gold nanoparticles are uniformly distributed in the electrode can be obtained even when a high concentration of gold nanoparticles is contained.

また、本発明の金ナノ粒子を含むカーボン薄膜電極において、カーボン薄膜電極の表面付近に存在する金ナノ粒子は、その一部が表面に露出する形でカーボン薄膜電極に埋め込まれた構造であることを特徴とする。すなわち、表面付近に存在する金ナノ粒子は、カーボン薄膜電極を構成する微結晶ドメイン中に部分的に埋没し、部分的に電極表面に露出している状態となる。このように配置される金ナノ粒子は、特に、電着等により電極表面を覆うように付着された金の膜を有する電極と比べて構造的に区別される。そして、金ナノ粒子の少なくとも一部が表面に露出する形で電極に埋め込まれた構造を有するカーボン薄膜電極は、ヒ素検出に対する高感度を維持したままでの長時間の使用に耐えうる高い安定性を有している。
なお、本発明のカーボン薄膜電極は、例えば、スクウェアウェイブボルタンメトリーによるヒ素の電気化学測定に用いた後、電極表面を窒素ガス等により乾燥させて、大気中、室温下で長時間放置しても、高感度を維持したまま再度の使用に耐えうるものである。このように、本発明の金ナノ粒子含有カーボン薄膜電極は長期間の保存安定性も有しており、例えば、初期測定使用後の乾燥処理から大気中、室温下において24時間以上、好ましくは120時間以上、より好ましくは240時間以上の長期間の保存安定性を示す。
Moreover, in the carbon thin film electrode containing the gold nanoparticle of the present invention, the gold nanoparticle existing in the vicinity of the surface of the carbon thin film electrode has a structure embedded in the carbon thin film electrode so that a part of the gold nanoparticle is exposed on the surface. It is characterized by. That is, the gold nanoparticles existing near the surface are partially buried in the microcrystalline domain constituting the carbon thin film electrode, and are partially exposed on the electrode surface. The gold nanoparticles arranged in this way are structurally distinguished from an electrode having a gold film attached so as to cover the electrode surface by electrodeposition or the like. The carbon thin film electrode with a structure in which at least a part of the gold nanoparticles are exposed on the surface is highly stable to withstand long-term use while maintaining high sensitivity to arsenic detection. have.
Incidentally, the carbon thin film electrode of the present invention is used for, for example, electrochemical measurement of arsenic by square wave voltammetry, and then the electrode surface is dried with nitrogen gas or the like, and left in the atmosphere at room temperature for a long time. It can withstand repeated use while maintaining high sensitivity. Thus, the gold nanoparticle-containing carbon thin film electrode of the present invention also has long-term storage stability, for example, from the drying treatment after the initial measurement use to the atmosphere at room temperature for 24 hours or more, preferably 120 It exhibits long-term storage stability of more than hours, more preferably more than 240 hours.

本発明のカーボン薄膜電極に含まれる金ナノ粒子の粒径は、7nm以下であることが好ましい。金ナノ粒子が7nm以下であると、カーボン薄膜表面への金ナノ粒子の安定的な埋め込み構造となり好ましい。特に、前記効果の観点において、金ナノ粒子の粒径は、5nm以下であることがより好ましく、3nm以下であることがさらに好ましい。なお、金ナノ粒子の粒径が7nmを超えると、金ナノ粒子が安定的に分散して埋め込まれている構造を維持できなくなり、徐々にバルク金電極の特性に近くなる。すなわち電極としての信号が不安定でかつノイズが大きくなり好ましくない。
なお、金ナノ粒子の粒径は、例えば、下記の実施例2において記載するように、透過型電子顕微鏡により観測することが可能である。
The particle size of the gold nanoparticles contained in the carbon thin film electrode of the present invention is preferably 7 nm or less. When the gold nanoparticles are 7 nm or less, a stable embedded structure of the gold nanoparticles on the surface of the carbon thin film is preferable. In particular, from the viewpoint of the above effect, the particle size of the gold nanoparticles is more preferably 5 nm or less, and further preferably 3 nm or less. When the particle size of the gold nanoparticles exceeds 7 nm, the structure in which the gold nanoparticles are stably dispersed and embedded cannot be maintained, and gradually approaches the characteristics of the bulk gold electrode. That is, the signal as an electrode is unstable and noise is increased, which is not preferable.
The particle size of the gold nanoparticles can be observed with a transmission electron microscope, for example, as described in Example 2 below.

また、本発明のカーボン薄膜電極中に含まれる金ナノ粒子の濃度は、10〜22at%の範囲内であることが好ましい。金ナノ粒子の濃度が、10〜22at%の範囲内にあることにより、ヒ素イオンの検出を高感度かつ安定的に行うことができ好ましい。特に、前記効果の観点において、金ナノ粒子の濃度は、15〜20at%の範囲内にあることがより好ましい。なお、金ナノ粒子の濃度が10at%よりも小さいとヒ素イオンに対する感度が低くなり、金ナノ粒子の濃度が22at%よりも大きいとカーボン成分に由来する低ノイズ性がなくなり、さらには金電極と類似の測定安定性が低下する結果となり好ましくない。   Moreover, it is preferable that the density | concentration of the gold nanoparticle contained in the carbon thin film electrode of this invention exists in the range of 10-22 at%. It is preferable that the concentration of the gold nanoparticles is in the range of 10 to 22 at% because arsenic ions can be detected with high sensitivity and stability. In particular, from the viewpoint of the above effect, the concentration of the gold nanoparticles is more preferably in the range of 15 to 20 at%. When the gold nanoparticle concentration is less than 10 at%, the sensitivity to arsenic ions is low. When the gold nanoparticle concentration is greater than 22 at%, the low noise property derived from the carbon component is lost, and further, the gold electrode As a result, similar measurement stability is lowered, which is not preferable.

なお、従来、スパッタ法により金属成分をナノ粒子としてカーボン薄膜電極中に含有させた場合には(例えば、特開2003−121407号公報(特許文献5))、10at%を超える濃度で金属成分のナノ粒子を電極中に含有させることができなかった。しかしながら、本発明のカーボン薄膜電極中に含まれる金ナノ粒子の濃度は、スパッタ法により電極を製造する際に、カーボンターゲットと金ターゲットとのターゲットパワーとそれぞれ制御することにより、カーボン薄膜電極中の金ナノ粒子の濃度を制御することができ、上記好ましい範囲の金ナノ粒子の濃度へも制御を可能とする。なお、例えば、アンバランスドマグネトロンスパッタリング法において金ナノ粒子の濃度を10〜22at%とするためには、例えば、カーボンターゲットのパワーを400Wに対して金ターゲットのターゲットパワーを80〜200Wに調整することにより制御可能である。当業者であれば、金ナノ粒子の濃度が10〜22at%となるように、スパッタ装置に独立して配置される各ターゲットパワーを適宜調整することが可能である。
カーボン薄膜電極中に含まれる金ナノ粒子の濃度は、例えば、下記の実施例2において記載するように、X線電子分光法(XPS法)により測定することが可能である。
Conventionally, when a metal component is contained as a nanoparticle in a carbon thin film electrode by a sputtering method (for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-121407 (Patent Document 5)), the metal component is contained at a concentration exceeding 10 at%. Nanoparticles could not be included in the electrode. However, the concentration of the gold nanoparticles contained in the carbon thin film electrode of the present invention can be controlled by controlling the target power of the carbon target and the gold target, respectively, when the electrode is manufactured by sputtering. It is possible to control the concentration of the gold nanoparticles, and it is possible to control the concentration of the gold nanoparticles within the preferable range. For example, in order to set the concentration of gold nanoparticles in the unbalanced magnetron sputtering method to 10 to 22 at%, for example, the target power of the gold target is adjusted to 80 to 200 W with respect to the power of the carbon target of 400 W. Can be controlled. A person skilled in the art can appropriately adjust each target power arranged independently in the sputtering apparatus so that the concentration of gold nanoparticles is 10 to 22 at%.
The concentration of gold nanoparticles contained in the carbon thin film electrode can be measured by, for example, X-ray electron spectroscopy (XPS method) as described in Example 2 below.

また、金ナノ粒子間には、上述のTEM像において明瞭なカーボンの格子像が観察され、微結晶ドメインも形成していることが望ましい。この、カーボンの格子像は導電性のsp2結合に由来しており、電極として使用するに十分な導電性を有する。さらに、導電性は極めて低いが高い強度をもたらすsp3結合に由来する成分もカーボン中に導入されることによって、電極として使用するのに十分な強度化学的安定性を有する。 Further, it is desirable that a clear carbon lattice image is observed in the above-mentioned TEM image between the gold nanoparticles, and a microcrystalline domain is also formed. This carbon lattice image is derived from the conductive sp 2 bond, and has sufficient conductivity to be used as an electrode. In addition, components derived from sp 3 bonds that have very low electrical conductivity but provide high strength are also introduced into the carbon, thereby providing sufficient chemical strength for use as an electrode.

なお、本発明の電気化学測定用カーボン薄膜電極の膜厚は、特に限定されないが、カーボン薄膜電極の膜厚は20〜200nm程度が、十分な導電性を確保し、所望の特性を得る観点から好ましい。   In addition, the film thickness of the carbon thin film electrode for electrochemical measurement of the present invention is not particularly limited, but the film thickness of the carbon thin film electrode is about 20 to 200 nm from the viewpoint of securing sufficient conductivity and obtaining desired characteristics. preferable.

次に、本発明の金ナノ粒子含有カーボン薄膜電極を製造可能なスパッタ装置について説明する。本発明の金ナノ粒子含有カーボン薄膜電極を製造可能なスパッタ装置の概略図を図1(a)に示す。当該装置において、ターゲットであるカーボンターゲット2と金ターゲット3とは独立して配置され、それぞれのターゲットが基板1上の一点に対してスパッタされるように配置されている。これにより各ターゲットより炭素成分または金成分が回転させている基板1上へ一極集中するようにスパッタされ、基板1上に形成される薄膜中には、金ナノ粒子を均一な状態で分布させることができる。その際、カーボンターゲット2と金ターゲット3とのスパッタパワーは独立して制御しながら成膜する必要がある。そのため、各ターゲットパワーはそれぞれ別電源で制御を行うことが好ましいが、このような形態に限定されない。   Next, a sputtering apparatus capable of producing the gold nanoparticle-containing carbon thin film electrode of the present invention will be described. A schematic view of a sputtering apparatus capable of producing the gold nanoparticle-containing carbon thin film electrode of the present invention is shown in FIG. In this apparatus, the carbon target 2 and the gold target 3 which are targets are arranged independently, and each target is arranged so as to be sputtered to one point on the substrate 1. As a result, sputtering is performed so that the carbon component or the gold component is concentrated on the rotating substrate 1 from each target, and the gold nanoparticles are uniformly distributed in the thin film formed on the substrate 1. be able to. At that time, it is necessary to form the film while controlling the sputtering power of the carbon target 2 and the gold target 3 independently. Therefore, although it is preferable to control each target power with a separate power supply, it is not limited to such a form.

なお、カーボンターゲット2と金属ターゲット3との配置は、以下の形態に限定されないが、図1(a)に示すように、基板1の平面に対向するようにカーボンターゲット2を配置し、かつ、カーボンターゲット2から距離を離した場所に、基板1上へ金がスパッタされるように角度をつけて、金属ターゲット3を配置することができる。または、図1(a)に示されるカーボンターゲット2と金ターゲット3とは互いに配置場所を入れ替えて配置してもよい。その他の形態として、カーボンターゲット2と金ターゲット3との両方のターゲットを、基板1の平面に対して角度をつけて配置することもできる。このように、カーボンターゲット2および金ターゲット3の配置場所は所望の特性を有する電極が得られる限りにおいて、特に限定されない。基板−ターゲットの距離間は、従来の装置と同じ様に調整することができる。このとき、基板−ターゲットの距離間は、カーボンターゲット2と金属ターゲット3とで同じであることが好ましいが、異なっていても良い。カーボンターゲット2と金属ターゲット3との距離間や基板1の平面に対する傾きの程度についても、所望の特性を有する電極が作製される限りにおいて特に限定されない。このようなスパッタ装置の構成により、電極中に存在する金ナノ粒子の分布が均一な電気化学測定用の金ナノ粒子含有カーボン薄膜電極を得ることができる。また、このような構成を有するスパッタ装置を用いた製造方法によれば、金ナノ粒子含有カーボン薄膜電極の金ナノ粒子含有量が高い濃度においても制御可能となる。   The arrangement of the carbon target 2 and the metal target 3 is not limited to the following form, but as shown in FIG. 1 (a), the carbon target 2 is arranged so as to face the plane of the substrate 1, and The metal target 3 can be arranged at an angle so that gold is sputtered onto the substrate 1 at a location away from the carbon target 2. Alternatively, the carbon target 2 and the gold target 3 shown in FIG. As another form, both the carbon target 2 and the gold target 3 can be arranged at an angle with respect to the plane of the substrate 1. Thus, the arrangement location of the carbon target 2 and the gold target 3 is not particularly limited as long as an electrode having desired characteristics can be obtained. The distance between the substrate and the target can be adjusted in the same manner as in the conventional apparatus. At this time, the distance between the substrate and the target is preferably the same between the carbon target 2 and the metal target 3, but may be different. The distance between the carbon target 2 and the metal target 3 and the degree of inclination with respect to the plane of the substrate 1 are not particularly limited as long as an electrode having desired characteristics is produced. With such a configuration of the sputtering apparatus, it is possible to obtain a gold nanoparticle-containing carbon thin film electrode for electrochemical measurement in which the distribution of gold nanoparticles present in the electrode is uniform. In addition, according to the manufacturing method using the sputtering apparatus having such a configuration, the gold nanoparticle content of the gold nanoparticle-containing carbon thin film electrode can be controlled even at a high concentration.

本発明におけるカーボン薄膜電極は、上記のように、カーボンターゲットと金ターゲットのターゲットパワーを独立して制御可能なスパッタ装置を用いたスパッタ法であれば製造可能である。それぞれの使用用途に応じて選択した基板にスパッタ法によってカーボン薄膜と金ナノ粒子を同時に堆積することによって作製することができる。そのような形成方法としては、好適には、UBMスパッタ法が挙げられるが、マグネトロンスパッタ法、RFスパッタ法、DCスパッタ法、ECRスパッタ法又はイオンビームスパッタ法を用いることができる。当業者であれば、各スパッタ法において、本発明の金ナノ粒子含有カーボン薄膜電極の作製条件を、公知の文献(例えば、特開2003−121407、特開2006−90875等)を参照して適宜設定することができる。   As described above, the carbon thin film electrode in the present invention can be manufactured by any sputtering method using a sputtering apparatus capable of independently controlling the target power of the carbon target and the gold target. It can be produced by simultaneously depositing a carbon thin film and gold nanoparticles on a substrate selected according to each application by sputtering. As such a formation method, UBM sputtering is preferably used, but magnetron sputtering, RF sputtering, DC sputtering, ECR sputtering, or ion beam sputtering can be used. A person skilled in the art appropriately determines the production conditions of the gold nanoparticle-containing carbon thin film electrode of the present invention in each sputtering method with reference to known documents (for example, JP2003-121407, JP2006-90875, etc.). Can be set.

下記に記載する条件に限定されないが、例えば、UBMスパッタ法を用いて本発明の金ナノ粒子含有カーボン薄膜電極を構成するカーボン薄膜を製造する際には、スパッタガスとして、アルゴンガス等の希ガス類を使用することができ、スパッタガスのガス圧は、0.1〜10Paとすることができる。カーボンターゲットには、焼結カーボン(C)を使用することができ、金ターゲットには、金(Au)を使用する。基板の加熱は、室温〜200℃とすることができ、好ましくは加熱を行わず室温とすることができる。カーボンターゲットのターゲットパワーは、100〜500Wとすることができ、金ターゲットのターゲットパワーは、10〜200Wとすることができる。金ナノ粒子の含有量を増したいときには、金ターゲットのターゲットパワーをカーボンターゲットのターゲットパワーに対して相対的に上げればよく、金ナノ粒子の含有量を減らしたいときには、金ターゲットのターゲットパワーをカーボンターゲットのターゲットパワーに対して相対的に下げれば良い。   Although not limited to the conditions described below, for example, when producing a carbon thin film constituting the gold nanoparticle-containing carbon thin film electrode of the present invention using the UBM sputtering method, a rare gas such as argon gas is used as a sputtering gas. It can be used, and the gas pressure of sputtering gas can be 0.1-10Pa. Sintered carbon (C) can be used for the carbon target, and gold (Au) is used for the gold target. The substrate can be heated at room temperature to 200 ° C., and preferably at room temperature without heating. The target power of the carbon target can be 100 to 500W, and the target power of the gold target can be 10 to 200W. To increase the gold nanoparticle content, the target power of the gold target can be increased relative to the target power of the carbon target. To decrease the gold nanoparticle content, the target power of the gold target can be increased to carbon. What is necessary is just to reduce relatively with respect to the target power of a target.

基板としては、例えば、導電性基板であれば、シリコン基板中にボロンなどの不純物をドープしたシリコン単結晶ウエハや金属基板が使用され、絶縁基板であれば、ガラスやポリジメチルシロキサン(PDMS)、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリプロピレン、アクリル樹脂、ポリエチレンテレフタレート(PET)樹脂、エポキシ樹脂、オレフィン樹脂等の各種高分子も使用することができる。   As the substrate, for example, a conductive substrate is a silicon single crystal wafer or metal substrate doped with impurities such as boron in a silicon substrate, and an insulating substrate is glass or polydimethylsiloxane (PDMS), Various polymers such as polycarbonate, polyethylene, polypropylene, acrylic resin, polyethylene terephthalate (PET) resin, epoxy resin, and olefin resin can also be used.

本発明の電気化学測定用カーボン薄膜電極は、電気化学的手法によりヒ素イオンを検出またはヒ素イオンの濃度を測定する際に好適に使用されるものである。電気化学的手法によりヒ素イオンを検出する、またはヒ素イオンの濃度を測定する対象物としては、例えば、自然環境下または作業環境下における水や、食品由来の水溶液や生体由来の体液等を挙げることができるが、ヒ素イオンを含む溶液であれば特に限定されない。   The carbon thin film electrode for electrochemical measurements of the present invention is suitably used when detecting arsenic ions or measuring the concentration of arsenic ions by an electrochemical technique. Examples of an object for detecting arsenic ions by an electrochemical method or measuring the concentration of arsenic ions include water in a natural environment or a working environment, a food-derived aqueous solution, a biological fluid derived from a living body, and the like. However, it is not particularly limited as long as it is a solution containing arsenic ions.

このような方法において、検出または濃度測定可能な測定対象溶液中に含まれるヒ素イオンは、3価のヒ素イオンである。しかしながら、本発明の電気化学測定用カーボン薄膜電極は、3価のヒ素イオンを測定する電気化学的手法に使用が限定されず、5価のヒ素イオンを測定可能な電気化学的手法にも好適に用いることが可能である。5価のヒ素イオンを測定する電気化学的手法は、例えば、5価のヒ素イオンを3価のヒ素イオンに還元して、3価のヒ素イオンを測定する方法が知られている。このように、本発明の電気化学測定用カーボン薄膜電極によって測定される対象物質は、ヒ素(3価)またはヒ素(5価)である。   In such a method, the arsenic ions contained in the measurement target solution that can be detected or measured in concentration are trivalent arsenic ions. However, the use of the carbon thin film electrode for electrochemical measurement of the present invention is not limited to the electrochemical method for measuring trivalent arsenic ions, and is also suitable for the electrochemical method capable of measuring pentavalent arsenic ions. It is possible to use. As an electrochemical method for measuring pentavalent arsenic ions, for example, a method of measuring trivalent arsenic ions by reducing pentavalent arsenic ions to trivalent arsenic ions is known. Thus, the target substance measured by the carbon thin film electrode for electrochemical measurements of the present invention is arsenic (trivalent) or arsenic (pentavalent).

本発明の電気化学測定用カーボン薄膜電極を用いてヒ素を検出する際、当業者に公知の電気化学測定方法にてヒ素を測定することができる。例えば、ASV法に本発明の金ナノ粒子含有カーボン薄膜電極を使用することで、ヒ素を測定することが可能である。ASV法に本発明の金ナノ粒子含有カーボン薄膜電極を使用する際には、当業者であれば公知の条件を基に適宜条件を設定し、実施することができる。しかしながら、ヒ素を検出するために使用される電気化学測定方法はASV法に限定されない。   When arsenic is detected using the carbon thin film electrode for electrochemical measurement of the present invention, arsenic can be measured by an electrochemical measurement method known to those skilled in the art. For example, arsenic can be measured by using the gold nanoparticle-containing carbon thin film electrode of the present invention in the ASV method. When the gold nanoparticle-containing carbon thin film electrode of the present invention is used in the ASV method, those skilled in the art can appropriately set conditions based on known conditions. However, the electrochemical measurement method used to detect arsenic is not limited to the ASV method.

本発明によれば、上記で製造される電気化学測定用の金ナノ粒子含有電極を用いた測定対象溶液中のヒ素イオンの濃度を電気化学的に測定するための装置を提供する。本発明のヒ素イオンの定量を行う装置は、上記のようにヒ素イオンのASV測定を安定かつ感度良く行うことができる電極を備えている電気化学セルを具有していることが好ましい。さらには、測定溶液、電流-電位測定装置等、本発明の測定系を構築するための部材あるいは試薬等を組み合わせて測定キットとしてもよい。また、より迅速かつ多検体処理が可能なフローセルや夾雑物を除去するための前処理装置などを組み合わせる事によって、オンライン測定装置としてもよい。さらには、マイクロフローセル等を用いる事によって、オンサイト分析装置としてもよい。   According to the present invention, there is provided an apparatus for electrochemically measuring the concentration of arsenic ions in a solution to be measured using the gold nanoparticle-containing electrode for electrochemical measurement produced as described above. The apparatus for quantifying arsenic ions of the present invention preferably has an electrochemical cell equipped with an electrode capable of performing ASV measurement of arsenic ions stably and with sensitivity as described above. Further, a measurement kit, a current-potential measurement device, and the like may be combined with members or reagents for constructing the measurement system of the present invention. Further, an on-line measuring device may be obtained by combining a flow cell capable of processing more samples more quickly and a pretreatment device for removing impurities. Furthermore, it is good also as an on-site analyzer by using a micro flow cell etc.

また、本明細書に用いられる用語は、異なる定義が無い限り、本発明が属する技術の当業者によって広く理解されるのと同じ意味を有する。ここに用いられる用語は、異なる定義が明示されていない限り、本明細書及び関連技術分野における意味と整合的な意味を有するものとして解釈されるべきであり、理想化され、又は、過度に形式的な意味において解釈されるべきではない。   Moreover, unless otherwise defined, terms used in this specification have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms used herein should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in this specification and the related technical field, unless otherwise defined, idealized, or overly formal. It should not be interpreted in a general sense.

以下において、本発明を、実施例を参照してより詳細に説明する。しかしながら、本発明はいろいろな態様により実施することができ、ここに記載される実施例に限定されるものとして解釈されてはならない。   In the following, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the invention can be implemented in various ways and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.

<実施例1> 金ナノ粒子含有カーボン薄膜の作製
本発明の一実施の形態に関わる金ナノ粒子含有カーボン薄膜電極をUBMスパッタ装置を用いてシリコンウエハー(サイズ:2インチ)上に形成した。以下に、その具体的な方法について説明する。UBMスパッタ装置としては、カーボンターゲットおよび金ターゲットが図1(a)に示す配置で備えられた装置を用いた。ここでは、スパッタガスとしてアルゴン(Ar)を用い、ターゲットには焼結カーボン(C)と金(Au)とを用いた。スパッタガスのガス圧は、0.6Paとした。薄膜形成中は基板加熱を行わず室温とした。ターゲットパワーは、カーボンターゲットは400W、金ターゲットは10〜200Wにそれぞれ調整し、イオン加速電圧は20 Vとした。また、薄膜形成の際、金ターゲットのターゲットパワーを変化させることにより、カーボン薄膜電極中の金ナノ粒子の含有量を制御した。
上記の条件において、金ターゲットのターゲットパワーを10〜200Wへと調整した場合、得られたカーボン薄膜電極中の金ナノ粒子の含有量は、1〜22at%となった。
<Example 1> Production of gold nanoparticle-containing carbon thin film
A gold nanoparticle-containing carbon thin film electrode according to an embodiment of the present invention was formed on a silicon wafer (size: 2 inches) using a UBM sputtering apparatus. Below, the concrete method is demonstrated. As the UBM sputtering apparatus, an apparatus provided with a carbon target and a gold target in the arrangement shown in FIG. 1 (a) was used. Here, argon (Ar) was used as a sputtering gas, and sintered carbon (C) and gold (Au) were used as targets. The gas pressure of the sputtering gas was 0.6 Pa. During the formation of the thin film, the substrate was not heated to room temperature. The target power was adjusted to 400 W for the carbon target and 10 to 200 W for the gold target, and the ion acceleration voltage was 20 V. In addition, the gold nanoparticle content in the carbon thin film electrode was controlled by changing the target power of the gold target during thin film formation.
Under the above conditions, when the target power of the gold target was adjusted to 10 to 200 W, the content of gold nanoparticles in the obtained carbon thin film electrode was 1 to 22 at%.

<実施例2> 金ナノ粒子含有カーボン薄膜電極の特性評価
次に、カーボンターゲットは400W、Auターゲットは160Wにそれぞれ調整して作製した金ナノ粒子含有カーボン薄膜(膜厚40nm)について、金ナノ粒子の粒径、ならびに金ナノ粒子の含有量とカーボンの結合状態を透過型電子顕微鏡(TEM、日立製作所)とX線光電子分光法(XPS、島津製作所)を用いて観測した。図2に示した様に、TEMによる観察から、形成した金ナノ粒子含有カーボン薄膜電極中には、金ナノ粒子がカーボンの微結晶ドメイン中に粒径5nm程度で分散している。さらに、XPS測定より電極中の金ナノ粒子の含有量は17at%程度であった。XPS測定によりカーボンの結合状態を確認したところ、sp2結合している原子数とsp3結合している原子数との和に対するsp3結合の原子の数の比が約0.2であった。
<Example 2> Characteristics evaluation of gold nanoparticle-containing carbon thin film electrode Next, a gold nanoparticle-containing carbon thin film (film thickness: 40 nm) prepared by adjusting the carbon target to 400 W and the Au target to 160 W, respectively, The particle size of the gold particles, the content of gold nanoparticles, and the bonding state of carbon were observed using a transmission electron microscope (TEM, Hitachi, Ltd.) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS, Shimadzu Corp.). As shown in FIG. 2, from observation by TEM, in the formed gold nanoparticle-containing carbon thin film electrode, gold nanoparticles are dispersed in a carbon microcrystalline domain with a particle size of about 5 nm. Furthermore, the content of gold nanoparticles in the electrode was about 17 at% from XPS measurement. When checking bonding state of carbon by XPS measurement, the ratio of the number of sp 3 bond between atoms to the sum of the number of atoms that are atoms and sp 3 bonds are sp 2 bonded was about 0.2.

<実施例3> 金ナノ粒子含有カーボン薄膜電極の電極特性評価
実施例2に記載の方法と同様にして作製された金ナノ粒子含有カーボン薄膜上に直径2mmの穴を開けた絶縁テープを貼り付けて、電極面積が既知のカーボン薄膜電極とした。このカーボン薄膜電極を、pH5.0の0.1mol/Lリン酸緩衝溶液中に挿入し、ポテンシオスタット(CHIインスツルメンツ社製、ALS760)に接続した。また、同様に、参照電極(Ag/AgCl)および対極(Pt)についてもリン酸緩衝溶液中に挿入し、ポテンシオスタットに接続した。
次に、リン酸緩衝溶液中にヒ素(3価)の濃度が1ppb、5ppb、10ppb、20ppb、50ppb、または100ppbとなるようにそれぞれ調製し、還元堆積電位-0.8V、堆積時間120秒、走査速度1.5V/secと設定して、各濃度ごとにスクウェアウェイブボルタンメトリー測定を行った。測定結果を図3(a)に示した。図3(a)より、ヒ素(3価)の酸化溶出に伴う電流が明確に観測された。得られた測定結果よりヒ素(3価)濃度に応じて酸化溶出電流ピークが増加することが確認された。実際にヒ素(3価)濃度と酸化電流密度の関係は、図3(b)に示すように、1〜100ppbという低濃度においても高い直線性を持つことが明らかとなり、定量性のあるヒ素(3価)の検出が可能であることがわかった。
<Example 3> Electrode characteristic evaluation of gold nanoparticle-containing carbon thin film electrode An insulating tape having a 2 mm diameter hole was pasted on the gold nanoparticle-containing carbon thin film produced in the same manner as described in Example 2. Thus, a carbon thin film electrode having a known electrode area was obtained. This carbon thin film electrode was inserted into a 0.1 mol / L phosphate buffer solution having a pH of 5.0 and connected to a potentiostat (manufactured by CHI Instruments, ALS760). Similarly, the reference electrode (Ag / AgCl) and the counter electrode (Pt) were also inserted into a phosphate buffer solution and connected to a potentiostat.
Next, adjust the concentration of arsenic (trivalent) in the phosphate buffer solution to 1 ppb, 5 ppb, 10 ppb, 20 ppb, 50 ppb, or 100 ppb, respectively. Reduced deposition potential -0.8 V, deposition time 120 seconds, scanning Square wave voltammetry measurement was performed for each concentration at a speed of 1.5 V / sec. The measurement results are shown in FIG. From FIG. 3 (a), the current associated with the oxidation elution of arsenic (trivalent) was clearly observed. From the obtained measurement results, it was confirmed that the oxidation elution current peak increased according to the arsenic (trivalent) concentration. Actually, the relationship between the arsenic (trivalent) concentration and the oxidation current density, as shown in FIG. 3 (b), was found to have high linearity even at a low concentration of 1 to 100 ppb. (Trivalent) was detected.

<実施例4> 金ナノ粒子含有カーボン薄膜電極の電極安定性評価
実施例2に記載の方法と同様にして作製された金ナノ粒子含有カーボン薄膜電極のヒ素(3価)に対する測定安定性について検討した。当該金ナノ粒子含有カーボン薄膜電極を用い、実施例3に記載のスクウェアウェイブボルタンメトリー測定の方法と同様の構成にて測定を行った。なお、測定は、100ppbの濃度となるようにヒ素(3価)をリン酸緩衝溶液中に添加し、還元堆積電位-0.8V、堆積時間60秒、走査速度1.5V/secと設定して、スクウェアウェイブボルタンメトリー測定を行った。その結果を図4に示す。図4中、実線は初期測定の結果で、点線は、初期測定終了後、電極表面を窒素ガスによって乾燥させて、大気中、室温下で24時間放置した電極での測定結果である。図4からも明らかなように、金ナノ粒子含有カーボン薄膜電極では24時間後においてもピーク電流値はほとんど変化がなく、安定な測定が可能であることがわかった。
<Example 4> Electrode stability evaluation of gold nanoparticle-containing carbon thin film electrode Examination of measurement stability with respect to arsenic (trivalent) of a gold nanoparticle-containing carbon thin film electrode produced in the same manner as described in Example 2 did. Using the gold nanoparticle-containing carbon thin film electrode, the measurement was performed with the same configuration as the square wave voltammetry measurement method described in Example 3. The measurement was performed by adding arsenic (trivalent) to the phosphate buffer solution to a concentration of 100 ppb, setting the reduction deposition potential to -0.8 V, the deposition time of 60 seconds, and the scanning speed of 1.5 V / sec. Square wave voltammetry measurements were performed. The result is shown in FIG. In FIG. 4, the solid line is the result of the initial measurement, and the dotted line is the measurement result of the electrode after the initial measurement is finished and the electrode surface is dried with nitrogen gas and left in the atmosphere at room temperature for 24 hours. As is clear from FIG. 4, it was found that the peak current value hardly changed even after 24 hours in the gold nanoparticle-containing carbon thin film electrode, and stable measurement was possible.

上述の実施例3において、金ナノ粒子含有カーボン薄膜電極における金ナノ粒子の含有量を変化させ、図3(b)と同様にヒ素(3価)の検量線を作製したところ、カーボン薄膜電極中に存在する金ナノ粒子の含有量に応じて感度が上昇した。一方で、上述の実施例4と同様の測定の安定性を評価したところ、金ナノ粒子の含有量が高くなるとその安定性は悪くなった。金ナノ粒子の含有量の上昇に伴い、カーボン成分が減少すると、金電極そのものの特性と同様に、ノイズが高くかつ不安定な応答性を示す傾向が表れた。従って、ヒ素イオンの検出を高感度かつ安定的に行う観点から、カーボン薄膜電極中の金ナノ粒子の含有量は10〜22at%程度が好ましく、さらには、15〜20at%程度が最適であることが分かった。   In Example 3 described above, the gold nanoparticle content in the gold nanoparticle-containing carbon thin film electrode was changed, and an arsenic (trivalent) calibration curve was prepared in the same manner as in FIG. The sensitivity increased according to the content of gold nanoparticles present in the. On the other hand, when the stability of the measurement similar to Example 4 described above was evaluated, the stability deteriorated as the content of gold nanoparticles increased. As the content of gold nanoparticles increased, when the carbon component decreased, there was a tendency to show high noise and unstable responsiveness, similar to the characteristics of the gold electrode itself. Therefore, from the viewpoint of highly sensitive and stable detection of arsenic ions, the content of gold nanoparticles in the carbon thin film electrode is preferably about 10 to 22 at%, and more preferably about 15 to 20 at%. I understood.

<比較例1>
上記実施例4において、金ナノ粒子含有カーボン薄膜電極のかわりにグラッシーカーボン(GC)電極に金を電着したAu電着GC電極を作製し、同様の条件でヒ素(3価)に対する電極安定性を検討した。Au電着GC電極は、0.1mmol/Lのテトラクロロ金酸を含む1mol/L硫酸中にGC電極を挿入し、初期電位1.055V、最終電位-0.045V、走査速度0.075V/secの条件で作製した。測定結果を図5に示す。Au電着GC電極においてもヒ素の酸化によるピーク電流(実線)が観測されたものの、初期測定結果と比較して24時間後のピーク電流値(点線)は10分の1程度となり、ピーク電流値の著しい低下が見られた。このような結果は、Au電着GC電極表面に付着した金が溶出あるいは脱落することで活性が失われているためと考えられる。
すなわち、UBMスパッタカーボン薄膜電極に金ナノ粒子を分散して含有させることによって従来のAu修飾カーボン薄膜電極に比べてAuナノ粒子がカーボン中に極めて安定に存在することが可能であり、この薄膜構造が、安定にヒ素(3価)を計測するうえで、顕著な優位性を示す要因となることが分かった。
<Comparative Example 1>
In Example 4 above, an Au electrodeposited GC electrode in which gold was electrodeposited on a glassy carbon (GC) electrode instead of the gold nanoparticle-containing carbon thin film electrode was prepared, and the electrode stability against arsenic (trivalent) under the same conditions It was investigated. The Au electrodeposited GC electrode was inserted into 1 mol / L sulfuric acid containing 0.1 mmol / L tetrachloroauric acid, and the initial potential was 1.055 V, the final potential was -0.045 V, and the scanning speed was 0.075 V / sec. Produced. The measurement results are shown in FIG. Although a peak current (solid line) due to arsenic oxidation was also observed at the electrodeposited Au electrode, the peak current value (dotted line) after 24 hours was about 1/10 compared to the initial measurement result, and the peak current value A significant decrease was observed. Such a result is thought to be due to the loss of activity due to the elution or dropping of gold attached to the surface of the electrodeposited Au electrode.
In other words, by dispersing and containing gold nanoparticles in the UBM sputtered carbon thin film electrode, it is possible for the Au nanoparticles to be present in the carbon very stably compared to the conventional Au-modified carbon thin film electrode. However, it was found that this was a factor that showed a significant advantage in measuring arsenic (trivalent) stably.

本発明は、作製の再現性に優れた該金ナノ粒子含有カーボン薄膜電極を用い、溶液中のヒ素を安定・かつ高感度に測定することが可能となる。該電極はあらかじめ金ナノ粒子が再現性良く、一部の粒子が表面に露出するように埋め込まれた構造を有しており、従来のようなカーボン薄膜電極への金成分の電着工程を必要としないため、従来電極よりも簡便、迅速な測定手法を提供できる。ヒ素は人体にとって有害な元素である一方、産業上重要な元素でもある。従って、本発明は、ヒ素の環境モニタリング分析、作業環境モニタリング分析、食品分析、地質調査、生体被毒モニタリングなどに十分な威力を発揮すると考えられる。   The present invention makes it possible to stably and highly sensitively measure arsenic in a solution by using the gold nanoparticle-containing carbon thin film electrode excellent in reproducibility of production. The electrode has a structure in which gold nanoparticles are embedded in advance so that some of the particles are exposed on the surface, and a conventional electrodeposition process of a gold component on a carbon thin film electrode is required. Therefore, it is possible to provide a measurement method that is simpler and quicker than conventional electrodes. While arsenic is an element harmful to the human body, it is also an industrially important element. Therefore, the present invention is considered to exhibit sufficient power for arsenic environmental monitoring analysis, work environment monitoring analysis, food analysis, geological survey, biological poisoning monitoring, and the like.

Claims (7)

測定対象溶液中でヒ素イオンを還元堆積および酸化溶出に基づく電極反応により検出するための電気化学測定用カーボン薄膜電極であって、
前記電気化学測定用カーボン薄膜電極は、炭素間の結合様式についてsp2結合とsp3結合とが混在する微結晶ドメインより構成されており、これによりグラファイトカーボン電極およびグラッシーカーボン電極よりも広い範囲の電位窓を有し、かつ、
金ナノ粒子を均一に含有することを特徴とする電気化学測定用カーボン薄膜電極。
A carbon thin film electrode for electrochemical measurement for detecting arsenic ions in a solution to be measured by electrode reaction based on reduction deposition and oxidation elution,
The carbon thin film electrode for electrochemical measurement is composed of a microcrystalline domain in which sp 2 bonds and sp 3 bonds are mixed with respect to the bonding mode between carbons, and thereby a wider range than the graphite carbon electrode and the glassy carbon electrode. Having a potential window, and
A carbon thin film electrode for electrochemical measurement, characterized by containing gold nanoparticles uniformly.
請求項1に記載の電気化学測定用カーボン薄膜電極であって、
前記金ナノ粒子の含有量が10〜22at%であることを特徴とする電気化学測定用カーボン薄膜電極。
The carbon thin film electrode for electrochemical measurement according to claim 1,
A carbon thin film electrode for electrochemical measurement, wherein the content of the gold nanoparticles is 10 to 22 at%.
請求項1または2に記載の電気化学測定用カーボン薄膜電極であって、
前記カーボン薄膜電極は、スパッタ法において、カーボンターゲットおよび金ターゲットのスパッタパワーを独立して制御することにより基板上に成膜されたカーボン薄膜からなることを特徴とする電気化学測定用カーボン薄膜電極。
The carbon thin film electrode for electrochemical measurements according to claim 1 or 2,
The carbon thin film electrode for electrochemical measurement, wherein the carbon thin film electrode is composed of a carbon thin film formed on a substrate by independently controlling sputtering power of a carbon target and a gold target in a sputtering method.
請求項1に記載の電気化学測定用カーボン薄膜電極であって、
前記カーボン薄膜電極を構成する炭素間のsp2結合している原子数とsp3結合している原子数との和に対するsp3結合している原子数の原子比が0.1〜0.4の範囲にあることを特徴とする電気化学測定用カーボン薄膜電極。
The carbon thin film electrode for electrochemical measurement according to claim 1,
The atomic ratio of the number of sp 3 bonded atoms to the sum of the number of sp 2 bonded atoms and the number of sp 3 bonded atoms between the carbons constituting the carbon thin film electrode is in the range of 0.1 to 0.4. A carbon thin film electrode for electrochemical measurement, characterized in that.
請求項1または2に記載の電気化学測定用カーボン薄膜電極であって、
前記金ナノ粒子の粒径が、7nm以下であることを特徴とする電気化学測定用カーボン薄膜電極。
The carbon thin film electrode for electrochemical measurements according to claim 1 or 2,
A carbon thin film electrode for electrochemical measurement, wherein the gold nanoparticles have a particle size of 7 nm or less.
測定対象溶液中のヒ素イオンの濃度を電気化学的に測定するための装置であって、
対電極、及び、請求項1〜5のいずれか一項に記載の電気化学測定用カーボン薄膜電極からなる作用電極を内蔵するセルと、
前記カーボン薄膜電極からなる作用電極の電位を負電位方向に変動させて、前記カーボン薄膜電極からなる作用電極の表面にヒ素を還元堆積させる電位を供給し、次いで、前記カーボン薄膜電極からなる作用電極の電位を正電位方向に変動させて、前記カーボン薄膜電極からなる作用電極に堆積したヒ素を前記測定対象溶液中に溶出させる電位を供給する電位変動手段と、
前記カーボン薄膜電極からなる作用電極の電位の変動に伴う電流変化を検出する検出手段と
を備えていることを特徴とするヒ素イオンの濃度を測定するための電気化学的測定装置。
An apparatus for electrochemically measuring the concentration of arsenic ions in a solution to be measured,
A cell containing a counter electrode and a working electrode comprising the carbon thin film electrode for electrochemical measurement according to any one of claims 1 to 5;
A potential for reducing and depositing arsenic on the surface of the working electrode made of the carbon thin film electrode is supplied by changing a potential of the working electrode made of the carbon thin film electrode in a negative potential direction, and then the working electrode made of the carbon thin film electrode And a potential changing means for supplying a potential for eluting arsenic deposited on the working electrode made of the carbon thin film electrode into the measurement object solution;
An electrochemical measurement apparatus for measuring the concentration of arsenic ions, comprising: a detecting means for detecting a current change accompanying a change in potential of the working electrode made of the carbon thin film electrode.
測定対象溶液中でヒ素イオンを電気化学測定法により検出するための金ナノ粒子含有カーボン薄膜電極の製造方法であって、
前記方法は、スパッタ法により基板上に金ナノ粒子含有カーボン薄膜電極を成膜させる工程において、カーボンターゲットと金ターゲットとのターゲットパワーを独立して制御しながら成膜する工程を含み、
これにより前記金ナノ粒子含有カーボン薄膜電極における金ナノ粒子の含有量を制御することを特徴とする、製造方法。
A method for producing a gold thin film-containing carbon thin film electrode for detecting arsenic ions in a solution to be measured by an electrochemical measurement method,
The method includes forming a gold nanoparticle-containing carbon thin film electrode on a substrate by sputtering, and forming a film while independently controlling the target power of the carbon target and the gold target.
Thereby, the gold nanoparticle content in the gold nanoparticle-containing carbon thin film electrode is controlled.
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